XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Процесс работы гидроударного устройства необходимо рассматривать как функционирование сложной системы, состоящей изконструктивных элементов различных типов. Поскольку процесс функционирования гидроударной импульсной системы сложен и затруднено ее полное математическое описание в общем виде, поэтому наиболее эффективным и универсальнымметодом исследования гидроударной импульсной системы являетсяимитационное моделирование.

Общую структуру процесса проектирования гидроударной импульсной системы в САПР можно представить в виде алгоритма (рисунок 3), в котором чередуются поисковые, расчетные и иные процедуры, выполняемые посредством систем автоматизированного расчета, и творческие процедуры, связанные с принятием решений о приемлемости полученных результатов или об изменении направлений поиска, выполняемые проектантом-разработчиком.

Для реализации такой концепции проектирования необходимадекомпозиция общей задачи проектирования гидроударной импульсной системы на ряд последовательно решаемых подзадач меньшейразмерности.

Алгоритм проектирования делит проектирование на структурное и параметрическое. Под структурным проектированием понимается выбор структуры, конфигурации, облика гидроударной импульсной системы, что в настоящее время наиболее эффективно выполняет человек-проектант, основываясь на своем опыте, традицияхи т.д. Это, так называемые, неформализованные задачи проектирования.

Рисунок 3 - Алгоритм проектирования гидроударных систем

К структурным характеристикам гидроударной импульснойсистемы можно отнести следующие:

- количество полостей гидроударного устройства (взводящей, сливной, пневмоаккумуляторной, управляющей и т.д.);

- расположение полостей гидроударного устройства;

- способ вытеснения рабочей жидкости при рабочем ходе поршня-бойка;

- способ нанесения удара инструмента по обрабатываемомугрунту (с непосредственным ударом, через шабот, с опорным кронштейном, комбинированный и т.д.);

- тип блока управления рабочим циклом гидроударного устройства (золотниковый, беззолотниковый, клапанный и т.д.);

- форма и расположение блока управления рабочим циклом гидроударного устройства (внутри корпуса, снаружи и т.д.);

- количество энергоносителей (один – рабочая жидкость, два –газ и рабочая жидкость).

При параметрическом проектировании (формализованных задачах проектирования) гидроударной импульсной системы проектант-разработчик задает параметры, которые необходимо оптимизировать, целевую функцию (критерий), дисциплинирующие условия, метод оптимизации, составляет программы оптимизации (или использует уже существующие), определяет исходные данные.

Можно выделить следующие характерные компоненты гидроударного устройства (ГУ), сочетание которых однозначно определяетконкретные механизмы. Это – корпусные детали, подвижные детали, рабочие полости (камеры), каналы и гидролинии для подвода рабочей жидкости от ИП.

Кроме того, работа ГУ во многом определяется его взаимодействием с инструментом, по которому передается энергия удара бойкав обрабатываемую среду, и манипулятором, удерживающим ГУ иосуществляющим управление всем процессом. Подвижными деталями ГУ считаются элементы устройства, совершающие перемещения под действием давления рабочей среды (жидкости, газа). К числу их могут быть отнесены поршень, боек,клапан, золотник, упругий элемент, корпусные детали устройства идр. Чаще всего перемещения подвижных деталей происходят вдольодной оси.

Следует отметить, что перемещения подвижных деталейГУ обычно ограничены некоторыми конструктивными размерами. Рабочие полости (камеры) ГУ рассматриваются как замкнутыеобъемы, в которых происходит изменение параметров находящейся вних рабочей среды (жидкости или газа для пневмоаккумуляторнойполости). Рабочие полости могут быть как постоянного, так и переменного объема.

Гидролинии для подвода рабочей жидкости представляют собой систему каналов, содержащую местные сопротивления и разветвления, и играют важную роль в процессах наполнения и опорожнения рабочих полостей. В связи с этим характеристики гидролиний (геометрические размеры, повороты, разветвления, изменения эффективной площади и т.п.) могут оказать существенное влияние напараметры рабочего цикла ГУ и его энергетические характеристики.

В соответствии с указанным делением ГУ на конструктивныеэлементы любая модель работы ГУ должна включать в себя информацию о каждом из элементов и предусматривать возможность определения изменений в его состоянии. В противном случае необходимосделать определенные допущения относительно характера взаимодействия элемента, который не учитывается при расчете, с остальными компонентами системы.

Развитие теории ГУ шло по пути расширения моделей за счетпривлечения все большего числа элементов.

Первоначально внимание уделялось только механическим характеристикам работы устройства и поэтому рассматривалось движение бойка поддействием сил давлений рабочей среды.

Движущая сила зависит от величин давлений, действующих вполостях ГУ, и эффективных площадей полостей. Сила сопротивления учитывает силы механического трения, вязкого трения, силыпротиводавления, силы гидравлического сопротивления, возникающие при вытеснении жидкости из полостей при работе ГУ.

Если теперь делать допущения относительно характера изменения давлений, не привлекая дополнительных уравнений, можно получать довольно простые модели работы ГУ. Важным результатомтакого подхода является получение простых и удобных выраженийдля конструктивного расчета ГУ.

Появление современных средств вычислительной техники позволило создать модели достаточно сложных механизмов. При этомставится некоторая задача проектирования ГУ с рациональным сочетанием конструктивных параметров. И критерии оценки работы проектируемого устройства могут быть самыми разными, но решение сточки зрения математической постановки носит характер оптимизации.

Существует достаточно много методов решения этих задач, нообщей их особенностью является необходимость многократного вычисления целевой функции. Чаще всего в качестве критериев используются интегральные характеристики работы устройства: энергияудара, частота ударов, ударная мощность, расход жидкости и т.д. Получение этих характеристик в процессе моделирования ГУ требует решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений для рабочего цикла устройства.

Многообразие моделей гидроимпульсной техники, в частностигидромолотов, позволяет выявить определенные закономерности впроектировании подобных устройств и выработать объективные рекомендации при выборе конструктивных параметров гидроударныхустройств.